Biológovia, chemici a dokonca aj matematici už mnoho desaťročí pracujú na probléme pôvodu života. A hoci už existujú vedecky zdôvodnené a podporované hypotézy chemickej evolúcie pred objavením sa prvej bunky, práca týmto smerom pokračuje. "Lenta.ru" hovorí o novej štúdii o probléme sveta RNA, ktorej výsledky boli uverejnené v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Vedci na Portlandskej štátnej univerzite, ktorí experimentovali s ribozýmami, zistili, že schopnosť týchto molekúl katalyzovať vlastné zostavenie závisí od ich interakcie s inými podobnými molekulami. Štúdia nepriamo podporuje hypotézu o svete RNA, v ktorej sa uvádza, že prvou organickou molekulou, ktorá sa stala základom pre prvé bunky, bola RNA. Tieto molekuly RNA boli schopné samo-syntetizovať sa, navzájom si konkurovať a zúčastňovať sa na prebiotickom vývoji, keď sa najúspešnejšie zlúčeniny stali základom pre zložitejšie chemické komplexy.
Mnoho ľudí vie, že živé bunky majú svoje vlastné špeciálne katalyzátory: enzýmy, ktoré sú komplexne zložené proteínové molekuly, ktoré vykonávajú životne dôležité reakcie. Enzýmy však môžu byť nielen proteíny, ale aj reťazce RNA. Pripomeňme, že RNA je nukleová kyselina veľmi podobná DNA, ale líši sa od nej tým, že obsahuje ribózový cukor (nie deoxyribózu) a jedna z dusíkatých báz, tymín, je nahradená uracilom. Podľa vedcov sa RNA objavila pred DNA, pretože je oveľa labilnejšia (jej štruktúra je náchylnejšia na zmeny) a môže vykonávať katalytické reakcie bez pomoci proteínov. Molekuly RNA, ktoré sú enzýmami, sa nazývajú ribozýmy. Ribozýmy zvyčajne katalyzujú štiepenie seba alebo iných molekúl RNA.
Jedným z najviac študovaných ribozýmov je Azo, enzým, ktorý vyrábajú vedci zo samorezných intrónov skupiny I nachádzajúcich sa v DNA baktérie Azoarcus. Intróny sú oblasti génov, ktoré neobsahujú informácie o sekvencii proteínu alebo nukleovej kyseliny a sú vyrezané počas maturácie messenger RNA (mRNA). Všetky intróny skupiny I katalyzujú svoju vlastnú excíziu zo sekvencie RNA. Intrónový ribozým Azo, ktorý je predmetom záujmu vedcov, sa nachádza v géne, ktorý kóduje transportnú RNA (tRNA), ktorá nesie aminokyselinu izoleucín. Vo vnútri bunky Azo, podobne ako iné ribozýmy, vykonáva svoju vlastnú excíziu z tRNA, ale v laboratórnych podmienkach sa dokázal naučiť vykonávať spätné spájanie: ribozým štiepi na určitom mieste substrát - krátku molekulu RNA so špecifickou nukleotidovou sekvenciou,kusy z nich zostávajú pripevnené na Azo.
Štruktúra ribozýmu baktérie Azoarcus. Fragment IGS je označený červenou farbou
Obrázok: Jessica AM Yeates a kol. Katedra chémie, Portlandská štátna univerzita
Azo má dĺžku približne 200 nukleotidov a môže sa rozpadnúť na dva, tri alebo štyri fragmenty, ktoré sa spontánne spoja pri 42 stupňov Celzia v prítomnosti roztoku chloridu horečnatého. Samoskladací proces začína interakciou medzi dvoma nukleotidovými tripletmi (triplety) patriacimi do rôznych fragmentov RNA. Ak sa medzi triplety vytvárajú vodíkové väzby podľa princípu komplementarity, časti ribozýmu menia svoju priestorovú štruktúru a navzájom sa spájajú. Vedci sa zamerali na samoskladaciu reakciu dvoch fragmentov, ktoré boli predbežne nazvané WXY a Z, pričom W, X, Y a Z predstavujú samostatné oblasti ribozýmu dlhé približne 50 nukleotidov (obr. 1). Na mieste W sa na prednom konci molekuly RNA nachádza jedna z tripletov,ktorý sa podieľa na iniciovaní samoskupenia a nazýva sa „vnútorná vodiaca postupnosť“(IGS). Na konci WXY je tag triplet, ktorý pri interakcii s IGS tvorí silnú kovalentnú väzbu s fragmentom Z.
Propagačné video:
Vedci vytvorili rôzne varianty (genotypy) fragmentov WXY zmenou nukleotidov nachádzajúcich sa v strede IGS a značkových tripletov (nukleotidov M a N). Pretože molekuly RNA sú obvykle tvorené iba štyrmi typmi nukleotidov, existuje takýchto variantov 16. Napríklad jeden z genotypov môže byť 5'-GGG-WXY-CAU-3 'a druhý 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Všetky tieto varianty molekúl môžu navzájom konkurovať a vytvárať rôzne metabolické siete, v ktorých je potrebný spoločný zdroj - molekula Z - na obnovenie celého ribozýmu.
Reakcia medzi rôznymi fragmentmi Azo ribozýmu za vzniku celej molekuly
Obrázok: Jessica AM Yeates a kol. Katedra chémie, Portlandská štátna univerzita.
Vo svojich experimentoch vedci najprv testovali schopnosť každého genotypu samostatne sa zostaviť. Keď M a N tvoria páry Watson-Crick (tj podľa princípu komplementarity, A - U, C - G), miera samovoľnej montáže ribozýmu sa zvýši ako pre iné typy párov. Vedci potom simulovali teplé prostredie „malého rybníka“, v ktorom rôzne prebiotické molekuly vzájomne interagujú, aby získali vzájomné výhody a urýchlili samoorganizáciu. Biochemici sledovali správanie sa vzájomne spárovaných genotypov. Celkovo vedci skúmali 120 párov, ktoré pozostávali z dvoch odlišných variantov WXY. Zmerali rýchlosť každej reakcie, ktorá sa uskutočnila medzi molekulami dvoch genotypov WXY a fragmentmi Z vo vnútri samostatných skúmaviek počas 30 minút.
Interakcia medzi sekvenciami rôznych fragmentov ribozýmu pomocou vodíkových väzieb
Obrázok: Jessica AM Yeates a kol. Katedra chémie, Portlandská štátna univerzita
Kombináciou výsledkov obidvoch fáz experimentu a dosiahnutím mier samoskupenia pri interakcii dvoch rôznych genotypov vedci uskutočnili evolučný experiment. Dvojice genotypov sa zmiešali v rovnakých pomeroch, vybavili sa Z-fragmentami a reagovali spolu päť minút. Počas tejto doby vedci odobrali 10 percent roztoku do novej skúmavky, ktorá obsahovala viac nezreagovaného WXY každého genotypu a fragmentov Z. Počas ôsmich takýchto prenosov vedci sledovali pomery každého genotypu WXYZ. To umožnilo odhadnúť chemický ekvivalent evolučného úspechu ribozýmov počas generácií, ktorý sa pozoroval ako „explózia“- to znamená výrazné zvýšenie miery sebazostavenia RNA. V evolučnom experimente biológovia študovali interakciu siedmich párov ribozýmov.
Na základe všetkých laboratórnych experimentov vedci odvodili matematický model diferenciálnych rovníc, ktorý zohľadňuje mieru sebazostavenia genotypov s prítomnosťou alebo bez prítomnosti iných genotypov. Tento model sa stal základom novej evolučnej teórie hier, ktorá definuje niekoľko chovaní molekúl RNA. V jednom prípade, nazývanom „dominancia“, je jeden z genotypov vždy bežnejší ako druhý, zatiaľ čo miera jeho vlastnej montáže vždy prevyšuje rýchlosť konkurenta. V druhom prípade - „Spolupráca“- obidva genotypy, ktoré sa vzájomne ovplyvňujú, využívajú výhody „spolupráce“a rýchlosť ich sebazostavenia presahuje rýchlosť, ktorú by mali navzájom oddelene. „Sebecký scenár“- presný opak „Spolupráca“- znamená, že každý ribozým sa dostane individuálne, ako keď komunikuje s niekým iným. A nakoniecv „Counter-dominance“sa náhle začína objavovať genotyp s nízkou mierou sebazostavenia častejšie ako jeho konkurent.
Táto štúdia nie je zameraná na priame preukázanie hypotézy RNA sveta, ale predstavuje ďalší kus v puzzle vedeckého chápania prebiotickej evolúcie. Prvýkrát sa ukázalo, že enzymatické vlastnosti jednotlivých molekúl sa môžu zlepšiť v prítomnosti iných molekúl, ktoré sa líšia iba jedným alebo dvoma nukleotidmi. V gigantickom riešení, ktorým boli oceány Zeme na úsvite života, tieto molekuly spolu súťažili o substráty, spolupracovali a zintenzívnili svoje pôsobenie. Na základe toho sa už dá predpokladať, prečo sa zložité organické zlúčeniny snažili zjednotiť do systémov, ktoré sú prototypmi prvých buniek.
Alexander Enikeev